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S2018_Lecture21_Reading - Biologie

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La circulation de l'information génétique

Chez les bactéries, les archées et les eucaryotes, le rôle principal de l'ADN est de stocker des informations héréditaires qui codent l'ensemble d'instructions nécessaires à la création de l'organisme en question. Alors que nous nous sommes beaucoup améliorés pour lire rapidement la composition chimique (la séquence de nucléotides dans un génome et certaines des modifications chimiques qui y sont apportées), nous ne savons toujours pas comment décoder de manière fiable toutes les informations à l'intérieur et toutes les des mécanismes par lesquels il est lu et finalement exprimé.

Il existe cependant certains principes et mécanismes de base associés à la lecture et à l'expression du code génétique dont les étapes de base sont comprises et qui doivent faire partie de la boîte à outils conceptuelle de tous les biologistes. Deux de ces processus sont la transcription et la traduction, qui consistent à faire face à des parties du code génétique écrites dans l'ADN en molécules de l'ARN polymère apparenté et à la lecture et au codage du code ARN en protéines, respectivement.

Dans BIS2A, nous nous concentrons en grande partie sur le développement d'une compréhension de la

traiter

de transcription (rappelons qu'une Energy Story est simplement une rubrique pour décrire un processus) et son rôle dans l'expression de l'information génétique. Nous motivons notre discussion sur la transcription en nous concentrant sur les problèmes fonctionnels (en intégrant des parties de notre rubrique de résolution de problèmes/défi de conception) qui doivent être résolus au cours du processus à suivre. Nous décrivons ensuite comment le processus est utilisé par la nature pour créer une variété de molécules d'ARN fonctionnelles (pouvant avoir divers rôles structurels, catalytiques ou régulateurs), y compris des molécules d'ARN messager (ARNm) qui transportent les informations nécessaires à la synthèse des protéines. . De même, nous nous concentrons sur les défis et les questions associés au processus de traduction, le processus par lequel les ribosomes synthétisent des protéines.

Le flux de base de l'information génétique dans les systèmes biologiques est souvent représenté dans un schéma connu sous le nom de « dogme central » (voir la figure ci-dessous). Ce schéma indique que l'information codée dans l'ADN passe dans l'ARN via la transcription et finalement vers les protéines via la traduction. Des processus tels que la transcription inverse (création d'ADN à partir d'une matrice d'ARN) et la réplication représentent également des mécanismes de propagation de l'information sous différentes formes. Ce schéma, cependant, ne dit rien en soi sur la façon dont l'information est codée ou sur les mécanismes par lesquels les signaux régulateurs se déplacent entre les différentes couches de types de molécules représentées dans le modèle. Par conséquent, bien que le schéma ci-dessous soit une partie presque obligatoire du lexique de tout biologiste, peut-être hérité d'une vieille tradition, les étudiants doivent également être conscients que les mécanismes de flux d'informations sont plus complexes (nous en apprendrons certains au fur et à mesure, et que « le dogme central » ne représente que quelques voies centrales).

Figure 1. Le flux d'informations génétiques.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Génotype à phénotype

Un concept important dans les sections suivantes est la relation entre l'information génétique, le génotype, et le résultat de son expression, le phénotype. Ces deux termes et les mécanismes qui les relient seront discutés à plusieurs reprises au cours des prochaines semaines - commencez à maîtriser l'utilisation de ce vocabulaire.

Figure 2. Les informations stockées dans l'ADN sont dans la séquence des nucléotides individuels lorsqu'elles sont lues de 5' à 3'. La conversion de l'information de l'ADN en ARN (un processus appelé transcription) produit la deuxième forme que l'information prend dans la cellule. L'ARNm est utilisé comme matrice pour la création de la séquence d'acides aminés des protéines (en traduction). Ici, deux ensembles d'informations différents sont affichés. La séquence d'ADN est légèrement différente, ce qui entraîne la production de deux ARNm différents, suivis de deux protéines différentes et, finalement, de deux couleurs de pelage différentes pour les souris.

Génotype fait référence aux informations stockées dans l'ADN de l'organisme, à la séquence des nucléotides et à la compilation de ses gènes. Phénotype fait référence à toute caractéristique physique que vous pouvez mesurer, comme la taille, le poids, la quantité d'ATP produite, la capacité à métaboliser le lactose, la réponse aux stimuli environnementaux, etc. Des différences de génotype, même légères, peuvent conduire à des phénotypes différents qui sont soumis à des sélection. La figure ci-dessus illustre cette idée. Notez également que, alors que les discussions classiques sur les relations génotype et phénotype sont évoquées dans le contexte des organismes multicellulaires, cette nomenclature et les concepts sous-jacents s'appliquent à tous les organismes, même aux organismes unicellulaires comme les bactéries et les archées.

Remarque : discussion possible

Quelque chose que vous ne pouvez pas voir "à l'œil" peut-il être considéré comme un phénotype ?

Remarque : discussion possible

Les organismes unicellulaires peuvent-ils avoir plusieurs phénotypes simultanés ? Si oui, pouvez-vous proposer un exemple ? Si non, pourquoi ?

Gènes

Qu'est-ce qu'un gène ? UNE gène est un segment d'ADN dans le génome d'un organisme qui code pour un ARN fonctionnel (tel que l'ARNr, l'ARNt, etc.) ou un produit protéique (enzymes, tubuline, etc.). Un gène générique contient des éléments codant pour des régions régulatrices et une région codant pour une unité transcrite.

Les gènes peuvent acquérir mutation—définis comme des changements dans la composition et/ou la séquence des nucléotides—soit dans les régions codantes ou régulatrices. Ces mutations peuvent conduire à plusieurs issues possibles : (1) il ne se passe rien de mesurable ; (2) le gène n'est plus exprimé ; ou (3) l'expression ou le comportement du ou des produits géniques sont différents. Dans une population d'organismes partageant le même gène, différentes variantes du gène sont appelées allèles. Différents allèles peuvent entraîner des différences dans les phénotypes des individus et contribuer à la diversité biologique soumise à une pression sélective.

Commencez à apprendre ces termes de vocabulaire et les concepts associés. Vous les connaîtrez alors un peu lorsque nous commencerons à les approfondir plus en détail au cours des prochaines conférences.

Figure 3. Un gène consiste en une région codante pour un ARN ou un produit protéique accompagné de ses régions régulatrices. La région codante est transcrite en ARN qui est ensuite traduit en protéine.

Transcription : de l'ADN à l'ARN

Résumé de la section

Les bactéries, les archées et les eucaryotes doivent tous transcrire les gènes de leur génome. Bien que la localisation cellulaire puisse être différente (les eucaryotes effectuent la transcription dans le noyau ; les bactéries et les archées effectuent la transcription dans le cytoplasme), les mécanismes par lesquels les organismes de chacun de ces clades effectuent ce processus sont fondamentalement les mêmes et peuvent être caractérisés par trois étapes : initiation, élongation et terminaison.

Un bref aperçu de la transcription

La transcription est le processus de création d'une copie d'ARN d'un segment d'ADN. Puisqu'il s'agit d'un traiter, nous voulons appliquer la rubrique Energy Story pour développer une compréhension fonctionnelle de la transcription. A quoi ressemble le système de molécules avant le début de la transcription ? A quoi ça ressemble à la fin ? Quelles transformations de matière et transferts d'énergie se produisent pendant la transcription et qu'est-ce qui, le cas échéant, catalyse le processus ? Nous voulons également réfléchir au processus du point de vue du Design Challenge. Si la tâche biologique consiste à créer une copie de l'ADN dans le langage chimique de l'ARN, quels défis pouvons-nous raisonnablement émettre une hypothèse ou anticiper, compte tenu de nos connaissances sur d'autres processus polymères nucléotidiques, doivent être surmontés ? Existe-t-il des preuves que la nature a résolu ces problèmes de différentes manières ? Quels semblent être les critères de réussite de la transcription ? Vous avez eu l'idée.

Énumérer certaines des exigences de base pour la transcription

Examinons d'abord les tâches à accomplir en utilisant certaines de nos connaissances fondamentales et en imaginant ce qui pourrait devoir se produire pendant la transcription si l'objectif est de faire une copie d'ARN d'un morceau d'un brin d'une molécule d'ADN double brin. Nous verrons que l'utilisation d'une logique de base nous permet de déduire bon nombre des questions et des choses importantes que nous devons savoir afin de décrire correctement le processus.

Imaginons que nous voulions concevoir une nanomachine/nanobot qui effectuerait la transcription. Nous pouvons utiliser une réflexion sur le Design Challenge pour identifier les problèmes et les sous-problèmes qui doivent être résolus par notre petit robot.

• Où doit démarrer la machine ? Parmi les millions voire les milliards de paires de bases, vers où la machine doit-elle être dirigée ?
• Où la machine doit-elle s'arrêter ?
• Si nous avons des sites de démarrage et d'arrêt, nous aurons besoin de moyens d'encoder ces informations afin que nos machines puissent lire ces informations. Comment cela sera-t-il accompli ?
• Combien de copies d'ARN de l'ADN aurons-nous besoin de faire ?
• À quelle vitesse les copies d'ARN doivent-elles être faites ?
• Avec quelle précision les copies doivent-elles être faites ?
• Quelle quantité d'énergie le processus prendra-t-il et d'où viendra l'énergie ?

Ce ne sont bien sûr que quelques-unes des questions fondamentales. On peut creuser plus profondément s'ils le souhaitent. Cependant, ceux-ci sont déjà suffisamment bons pour que nous commencions à avoir une bonne idée de ce processus. Notez également que bon nombre de ces questions sont remarquablement similaires à celles que nous avons déduites pourraient être nécessaires pour comprendre la réplication de l'ADN.

Les briques de la transcription

Les éléments constitutifs de l'ARN

Rappelez-vous de notre discussion sur la structure des nucléotides que les éléments constitutifs de l'ARN sont très similaires à ceux de l'ADN. Dans l'ARN, les éléments constitutifs sont constitués de nucléotides triphosphates composés d'un sucre ribose, d'une base azotée et de trois groupes phosphate. Les principales différences entre les éléments constitutifs de l'ADN et ceux de l'ARN sont que les molécules d'ARN sont composées de nucléotides avec des sucres ribose (par opposition aux sucres désoxyribose) et utilisent l'uridine, un nucléotide contenant de l'uracile (par opposition à la thymidine dans l'ADN). Notez ci-dessous que l'uracile et la thymine sont structurellement très similaires - l'uracile manque juste d'un méthyle (CH3) par rapport à la thymine.

Figure 1. Les composants chimiques de base des nucléotides.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Initiation à la transcription

Promoteurs

Les protéines responsables de la création d'une copie d'ARN d'un morceau spécifique d'ADN (transcription) doivent d'abord être capables de reconnaître le début de l'élément à copier. UNE promoteur est une séquence d'ADN sur laquelle diverses protéines, collectivement connues sous le nom de machinerie de transcription, se lient et initient la transcription. Dans la plupart des cas, les promoteurs existent en amont (5' de la région codante) des gènes qu'ils régulent. La séquence spécifique d'un promoteur est très importante car elle détermine si la partie codante correspondante du gène est transcrite tout le temps, parfois ou rarement. Bien que les promoteurs varient selon les espèces, quelques éléments de séquence similaire sont parfois conservés. Aux régions -10 et -35 en amont du site d'initiation, il y a deux promoteurs consensus des séquences ou des régions qui sont similaires à travers de nombreux promoteurs et à travers diverses espèces. Certains promoteurs auront une séquence très similaire à la séquence consensus (la séquence contenant les éléments de séquence les plus courants), et d'autres auront une apparence très différente. Ces variations de séquence affectent la force à laquelle la machinerie transcriptionnelle peut se lier au promoteur pour initier la transcription. Cela permet de contrôler le nombre de transcriptions qui sont faites et à quelle fréquence elles sont faites.

Figure 2. (a) Un schéma général d'un gène. Le gène comprend la séquence promotrice, une région non traduite (UTR) et la séquence codante. (b) Une liste de plusieurs séquences promotrices fortes d'E. coli. La boîte -35 et la boîte -10 sont des séquences hautement conservées dans toute la liste des promoteurs forts. Les promoteurs plus faibles auront plus de différences de paires de bases par rapport à ces séquences.
Source : http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

Remarque : discussion possible

Quels types d'interactions sont modifiés entre la machinerie de transcription et l'ADN lorsque la séquence nucléotidique du promoteur change ? Pourquoi certaines séquences créeraient-elles un promoteur « fort » et pourquoi d'autres créeraient-elles un promoteur « faible » ?

Promoteurs bactériens vs eucaryotes

Dans les cellules bactériennes, la séquence consensus -10, appelée région -10, est riche en AT, souvent TATAAT. La séquence -35, TTGACA, est reconnue et liée par la protéine ??. Une fois cette interaction protéine-ADN réalisée, les sous-unités de l'ARN polymérase centrale se lient au site. En raison de la stabilité relativement plus faible des associations d'AT, la région -10 riche en AT facilite le déroulement de la matrice d'ADN et plusieurs liaisons phosphodiester sont créées.

Les promoteurs eucaryotes sont beaucoup plus gros et plus complexes que les promoteurs procaryotes, mais les deux ont une région riche en AT - chez les eucaryotes, on l'appelle généralement une boîte TATA. Par exemple, dans le gène de la thymidine kinase de souris, la boîte TATA est située à environ -30. Pour ce gène, la séquence exacte de la boîte TATA est TATAAAA, telle que lue dans la direction 5' à 3' sur le brin non-matrice. Cette séquence n'est pas identique à la E. coli -10, mais les deux partagent la qualité d'être un élément riche en AT.

Au lieu d'une seule polymérase bactérienne, les génomes de la plupart des eucaryotes codent pour trois ARN polymérases différentes, chacune composée de dix sous-unités protéiques ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de protéines appelées facteurs de transcription de le recruter auprès d'un promoteur. De plus, une armée d'autres facteurs de transcription, des protéines appelées amplificateurs et des silencieux aident à réguler la synthèse d'ARN de chaque promoteur. Les activateurs et les silencieux affectent l'efficacité de la transcription mais ne sont pas nécessaires à l'initiation de la transcription ou à son déroulement. Les facteurs de transcription basaux sont cruciaux dans la formation d'un complexe de pré-initiation sur la matrice d'ADN qui recrute ensuite l'ARN polymérase pour l'initiation de la transcription.

L'initiation de la transcription commence par la liaison de l'ARN polymérase au promoteur. La transcription nécessite que la double hélice d'ADN se déroule partiellement de telle sorte qu'un brin puisse être utilisé comme matrice pour la synthèse d'ARN. La région de déroulement est appelée bulle de transcription.

figure 3. Pendant l'élongation, l'ARN polymérase suit la matrice d'ADN, synthétise l'ARNm dans la direction 5' à 3', et se déroule puis rembobine l'ADN au fur et à mesure de sa lecture.

Élongation

La transcription procède toujours du brin modèle, l'un des deux brins de l'ADN double brin. Le produit d'ARN est complémentaire du brin matrice et est presque identique au brin non-matrice, appelé le brin de codage, à l'exception du fait que l'ARN contient un uracile (U) à la place de la thymine (T) présente dans l'ADN. Pendant l'allongement, une enzyme appelée ARN polymérase procède le long de la matrice d'ADN, en ajoutant des nucléotides par appariement de bases avec la matrice d'ADN d'une manière similaire à la réplication d'ADN, la différence étant qu'un brin d'ARN qui est synthétisé ne reste pas lié à la matrice d'ADN. Au fur et à mesure de l'allongement, l'ADN est continuellement déroulé devant l'enzyme centrale et rembobiné derrière elle. Notez que le sens de la synthèse est identique à celui de la synthèse dans l'ADN - 5' à 3'.

Figure 4. Pendant l'élongation, l'ARN polymérase suit la matrice d'ADN, synthétisant l'ARNm dans la direction 5' à 3', déroulant puis rembobinant l'ADN au fur et à mesure de sa lecture.

Figure 5. L'ajout de nucléotides au cours du processus de transcription est très similaire à l'ajout de nucléotides dans la réplication de l'ADN. L'ARN est polymérisé de 5' à 3', et à chaque addition d'un nucléotide, une liaison phosphoanhydride est hydrolysée par l'enzyme, ce qui donne un polymère plus long et la libération de deux phosphates inorganiques.
Source : http://utminers.utep.edu/rwebb/html/...longation.html

Remarque : discussion possible

Comparez et contrastez l'histoire de l'énergie pour l'ajout d'un nucléotide dans la réplication de l'ADN à l'ajout d'un nucléotide dans la transcription.

Allongement bactérien vs eucaryote

Chez les bactéries, l'élongation commence par la libération du ?? sous-unité de la polymérase. La dissociation de ?? permet à l'enzyme centrale de procéder le long de la matrice d'ADN, synthétisant l'ARNm dans la direction 5' à 3' à une vitesse d'environ 40 nucléotides par seconde. L'appariement des bases entre l'ADN et l'ARN n'est pas suffisamment stable pour maintenir la stabilité des composants de synthèse de l'ARNm. Au lieu de cela, l'ARN polymérase agit comme un lieur stable entre la matrice d'ADN et les brins d'ARN naissants pour garantir que l'élongation n'est pas interrompue prématurément.

Chez les eucaryotes, après la formation du complexe de pré-initiation, la polymérase est libérée des autres facteurs de transcription et l'élongation peut se dérouler comme chez les procaryotes, la polymérase synthétisant le pré-ARNm dans la direction 5' à 3'. Comme discuté précédemment, l'ARN polymérase II transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes, donc cette section se concentrera sur la façon dont cette polymérase accomplit l'allongement et la terminaison.

Résiliation

Dans les bactéries

Une fois qu'un gène est transcrit, la polymérase bactérienne doit recevoir l'instruction de se dissocier de la matrice d'ADN et de libérer l'ARNm nouvellement créé. Selon le gène à transcrire, il existe deux types de signaux de terminaison. L'un est à base de protéines et l'autre à base d'ARN. Terminaison Rho-dépendante est contrôlé par la protéine rho, qui suit la polymérase sur la chaîne d'ARNm en croissance. Vers la fin du gène, la polymérase rencontre une série de nucléotides G sur la matrice d'ADN et elle cale. En conséquence, la protéine rho entre en collision avec la polymérase. L'interaction avec rho libère l'ARNm de la bulle de transcription.

Résiliation indépendante de Rho est contrôlé par des séquences spécifiques dans le brin matrice d'ADN. Lorsque la polymérase approche de la fin du gène en cours de transcription, elle rencontre une région riche en nucléotides CG. L'ARNm se replie sur lui-même et les nucléotides complémentaires CG se lient. Le résultat est une stabilité épingle à cheveux qui provoque le blocage de la polymérase dès qu'elle commence à transcrire une région riche en nucléotides AT. La région UA ​​complémentaire du transcrit d'ARNm ne forme qu'une faible interaction avec l'ADN matrice. Ceci, couplé à la polymérase bloquée, induit une instabilité suffisante pour que l'enzyme centrale se détache et libère le nouveau transcrit d'ARNm.

Chez les eucaryotes

La terminaison de la transcription est différente pour les différentes polymérases. Contrairement aux procaryotes, l'élongation par l'ARN polymérase II chez les eucaryotes a lieu de 1 000 à 2 000 nucléotides au-delà de la fin du gène à transcrire. Cette queue de pré-ARNm est ensuite éliminée par clivage pendant le traitement de l'ARNm. D'autre part, les ARN polymérases I et III nécessitent des signaux de terminaison. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de 18 nucléotides qui est reconnue par une protéine de terminaison. Le processus de terminaison dans l'ARN polymérase III implique une épingle à cheveux d'ARNm similaire à la terminaison rho-indépendante de la transcription chez les procaryotes.

Aux archées

La terminaison de la transcription chez les archées est beaucoup moins étudiée que dans les deux autres domaines de la vie et n'est toujours pas bien comprise. Alors que les détails fonctionnels sont susceptibles de ressembler à des mécanismes qui ont été vus dans les autres domaines de la vie, les détails dépassent le cadre de ce cours.

Emplacement cellulaire

Chez les bactéries et les archées

Chez les bactéries et les archées, la transcription se produit dans le cytoplasme, où se trouve l'ADN. Étant donné que l'emplacement de l'ADN, et donc le processus de transcription, ne sont pas physiquement séparés du reste de la cellule, la traduction commence souvent avant la fin de la transcription. Cela signifie que l'ARNm dans les bactéries et les archées est utilisé comme matrice pour une protéine avant que l'ARNm entier ne soit produit. L'absence de ségrégation spatiale signifie également qu'il y a très peu de ségrégation temporelle pour ces processus. La figure 6 montre les processus de transcription et de traduction se produisant simultanément.

Figure 6. L'ajout de nucléotides au cours du processus de transcription est très similaire à l'ajout de nucléotides dans la réplication de l'ADN.
Source : Marc T. Facciotti (propre travail)

Chez les eucaryotes....

Chez les eucaryotes, le processus de transcription est physiquement séparé du reste de la cellule, séquestré à l'intérieur du noyau. Il en résulte deux choses : l'ARNm est terminé avant que la traduction ne puisse commencer, et il y a du temps pour « ajuster » ou « éditer » l'ARNm avant que la traduction ne commence. La séparation physique de ces processus donne aux eucaryotes une chance de modifier l'ARNm de manière à prolonger la durée de vie de l'ARNm ou même de modifier le produit protéique qui sera produit à partir de l'ARNm.

Traitement de l'ARNm

Capuchon G 5' et queue poly-A 3'

Lorsqu'un gène eucaryote est transcrit, le transcrit primaire est traité dans le noyau de plusieurs manières. Les ARNm eucaryotes sont modifiés à l'extrémité 3' par l'ajout d'une queue poly-A. Cette série de résidus A est ajoutée par une enzyme qui n'utilise pas d'ADN génomique comme matrice. De plus, les ARNm ont une modification chimique de l'extrémité 5', appelée 5'-cap. Les données suggèrent que ces modifications contribuent à la fois à augmenter la durée de vie de l'ARNm (empêcher sa dégradation prématurée dans le cytoplasme) ainsi qu'à aider l'ARNm à initier la traduction.

Figure 7. les pré-ARNm sont traités en une série d'étapes. Les introns sont retirés, un capuchon 5' et une queue poly-A sont ajoutés.
Source : http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

Épissage alternatif

L'épissage se produit sur la plupart des ARNm eucaryotes dans lesquels les introns sont retirés de la séquence d'ARNm et les exons sont liés ensemble. Cela peut créer un ARNm beaucoup plus court que celui initialement transcrit. L'épissage permet aux cellules de mélanger et de faire correspondre les exons incorporés dans le produit d'ARNm final. Comme le montre la figure ci-dessous, cela peut conduire à ce que plusieurs protéines soient codées par un seul gène.

Figure 8. L'information stockée dans l'ADN est finie. Dans certains cas, les organismes peuvent mélanger et assortir ces informations pour créer différents produits finaux. Chez les eucaryotes, l'épissage alternatif permet la création de différents produits d'ARNm, qui à leur tour sont utilisés en traduction pour créer différentes séquences de protéines. Cela conduit finalement à la production de différentes formes de protéines, et donc de différentes fonctions protéiques.
Source : http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html


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